一种用于舰船空气流场测量的多协议适配数据采集设备的制作方法

本发明涉及数据采集技术领域，特别是一种用于舰船空气流场测量的多协议适配数据采集设备。

背景技术：

目前在定量测量舰艇艉部空气流场领域，西方国家主要采取单传感器测量，传感器直接与上位机连接，上位机接收传感器数据进行采集的同时，通过多个上位机进行其他同步需要测量的数据的采集，测量后进行数据的融合和分析，如图1所示为单传感器测量技术实现结构，如图2所示为单传感器测量技术实现方法，包括：(1)通过布置N个风速传感器、姿态传感器、运动传感器等，并采用多台上位机同步进行数据采集；(2)融合步骤(1)中所有上位机采集到的实时数据；(3)重复上述步骤，直到所有位置采集完成；(4)融合所有采集到的结果数据。

从上述国外舰艇艉部空气流场的测量采集结构和方法可以得到其存在以下缺陷：

(1)采集的数据分布在多台上位机上，需要采集后进行数据的整理融合；

(2)在采集结果时间精度要求较高的场景下，多台上位机需要进行精确时间同步；

(3)针对不同的采集传感器，上位机数据采集软件需要进行定制开发，以满足不同传感器与上位机之间的不同通信方式和通信协议。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于舰船空气流场测量的多协议适配数据采集设备，解决了现有的数据采集技术采集时间精度不高、采集效率低、花费高的问题。

本发明的技术解决方案是：一种用于舰船空气流场测量的多协议适配数据采集设备，包括数据处理模块、数据采集传输模块，其中

数据处理模块包括记录生成单元、记录写入单元、配置管理单元、图形化显示单元、设备状态监视单元、COM422处理单元、第一以太网处理单元、第二以太网处理单元、共享存储单元；数据采集传输模块包括供电单元、网络交换设备、协议适配器组，其中协议适配器组包括COM422协议、以太网协议；

供电单元，对网络交换设备、协议适配器组进行供电；

网络交换设备，分别连接风速传感器、运动传感器、姿态传感器；接收风速传感器发送的潜艇测量位置处的三维风速度信息后送至协议适配器组；接收姿态传感器发送的舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度，舰艇运动姿态，接收运动传感器发送的潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向；所述的三维风速度信息包括数据U、数据V、数据W，数据U为舰艏艉方向风速，数据V为舰左右舷方向风速，数据W为垂直于甲板平面方向风速；所述的三轴加速度的坐标系为以姿态传感器安装位置为原点，舰艏艉方向为X轴，舰左右舷方向为Y轴，垂直于甲板平面方向为Z轴建立的坐标系；其中，舰艇起降甲板上设有四个测量截面，每个测量截面设置5个测量点，每个测量点在起降甲板平面上方3米、5米、7米处分别设有下、中、上三个舰艇测量位置，测量截面在舰艇起降甲板上均匀分布且互相平行；所述的舰艇测量位置均放置风速传感器、运动传感器、姿态传感器，每个风速传感器、运动传感器、姿态传感器的编号均不相同；

协议适配器组，接收三维风速度信息后调用以太网协议送至第一以太网处理单元；接收潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向后调用以太网协议送至第二以太网处理单元；接收三轴加速度、角速度，舰艇运动姿态后调用COM422协议送至COM422处理单元；

第一以太网处理单元，接收三维风速度信息后进行解析得到三维风速度信息并送至共享存储单元；

第二以太网处理单元，接收潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向后进行解析得到潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向，将潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向送至共享存储单元；

COM422处理单元，接收舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态后进行解析得到舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态，将舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态送至共享存储单元

共享存储单元，包括第一共享存储子单元、第二共享存储子单元；第一共享存储子单元接收舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态，潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向，三维风速度信息后分别添加时间戳并存储；

第二共享存储子单元，以不低于风速传感器、姿态传感器、运动传感器采集频率的速率读取第一共享存储子单元中存储的舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态，潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向，三维风速度信息，并送至记录生成单元；

记录生成单元，将时间戳相同的舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态装订成帧进行记录存储并送至记录写入单元；将时间戳相同的潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向装订成帧进行记录存储并送至记录写入单元；将时间戳相同的三维风速度信息装订成帧进行记录存储并送至记录写入单元；记录统计时间戳相同的数据并将统计结果送至图形化显示单元；

记录写入单元，当接收到外部发送的数据帧写入指令时，根据数据帧写入指令中的时间选择当前时间戳的舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态数据帧、潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向数据帧或者三维风速度信息数据帧，并送至外部；

配置管理单元，预设有协议适配器组使用的加密算法、以太网协议、COM422协议、数据采集速率；将加密算法、COM422协议协议、姿态传感器数据采集速率送至COM422处理单元；将加密算法、以太网协议协议、风速传感器数据采集速率送至第一以太网处理单元；将加密算法、以太网协议协议、运动传感器数据采集速率送至第二以太网处理单元；

图形化显示单元，监测读取共享存储单元添加时间戳后的舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态，潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向，三维风速度信息并使用表格显示每个风速传感器、姿态传感器、运动传感器发送的数据，同时接收显示时间戳相同的数据，并进行动态的数据量图形化统计；监测读取记录写入单元发送至外部的数据帧，并进行动态的数据帧量图形化统计；动态显示当前正常发送数据的风速传感器、姿态传感器、运动传感器编号，未正常发送数据的风速传感器、姿态传感器、运动传感器编号；

设备状态监视单元，动态监测读取共享存储单元接收的舰艇测量位置处的三轴加速度、角速度、舰艇运动姿态，潜艇测量位置处的航速、航向，风速、风向，三维风速度信息，得到当前正常发送数据的风速传感器、姿态传感器、运动传感器编号，未正常发送数据的风速传感器、姿态传感器、运动传感器编号，并送至图形化显示单元进行显示；将未正常发送数据的风速传感器、姿态传感器、运动传感器编号送至外部。

所述的数据采集传输模块基于windows平台，采用Boost、Qt开发框架实现。

所述的第二共享存储子单元采用基于MFC的MMTimmer实现了以不低于风速传感器、姿态传感器、运动传感器采集频率的速率读取数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明数据采集设备通过数据处理模块及数据采集传输模块的协同工作，解决了多种类型的多个传感器同时进行数据采集的协议适配、时间同步、高频数据存储及图形化显示等问题，简化了舰船艉部流场测量的技术负责度和测量流程，具有专业性强、采集结果精确、测试试验高效等优点。

附图说明

图1为本发明方法中单传感器测量技术实现结构；

图2为本发明方法中单传感器测量技术实现流程；

图3为本发明数据采集设备中硬件结构图；

图4为本发明数据采集设备中软件结构图；

图5为本发明数据采集设备中软件工作流程图；

图6为本发明数据采集设备中共享存储区实现原理图；

图7为本发明数据采集设备中数据采集流程原理图；

图8为本发明数据采集设备中测量位置示意图。

具体实施方式

本发明针对上述国内外舰艇艉部空气流场试验数据采集存在的问题，研制新型多协议适配数据采集设备，重点针对其数据融合、时间同步、通信方式复杂、多通信协议适配等方面进行设计开发，同时，针对高频数据的处理和采集开发了一套上位机软件，其研制的内容和实现方式主要有：

如图3所示本发明数据采集设备硬件方面包括：

(1)通过内部增加通信转换，兼容不同类型的传感器，使其输出方式统一；

(2)通过增加通信端口，提高可同时接入的传感器数量；

(3)通过统一输出方式和协议，减少上位机数量至一台，避免了时钟同步的问题；

(4)通过输出协议统一，降低了上位机采集软件开发复杂度；

如图4所示本发明数据采集设备软件方面包括：

一套数据处理与采集软件，该软件基于windows平台，采用Boost、Qt等开发框架，实现了15路传感器、惯性导航设备、舰船综合导航信息等高频数据的实时同步采集，突破了异步随机的数据即时存储、高频等时间差数据写入等关键技术，同时软件的采集结果为后期数据处理、起降风限图的分析提供了支撑和保障。

如图5所示为本发明数据采集设备中软件部分工作流程，软件部分关键技术方案包括：

(1)异步随机的数据即时存储：

三维风传感器、惯导数据、综导数据分别来自不同的设备，且传输方式不一致，其中，15路三维风传感器的工作频率(即数据的发送频率)为10Hz；惯导设备的工作频率是20Hz；综导数据分为两个数据帧，数据帧一的发送频率是40Hz，数据帧二的发送频率是1Hz。软件通过在内存中设置了两个共享存储区，采用“分块”的形式，定时轮换共享存储区，同时将被轮换的整个共享存储区的数据装订成帧，然后以高于所有在发送数据的频率，将数据进行持久化记录，共享存储区结构原理如图6所示：

2、高频等时间差数据写入

本上位机数据处理与采集软件中，为保证所采集数据的实时性和数据的完整性，使用的技术方案为：用高于所有在发送数据的频率来进行数据刷新和记录写入，采用这种方案，定时中断是实现的必然方式，在win32平台上，可使用的定时中断有两种方式，一是使用开发框架提供的定时器，另外一种是采用多线程的方式。这两种方式均不能满足40Hz的中断频率，并且不能保证中断的时间间隔相等。因此，数据处理与采集软件中采用了基于MFC的MMTimmer，通过调用相对底层的CPU时钟的方式，满足了定时器的精度和时间间隔的相等。

本发明在全新研制的数据采集设备上，集成了网络交换设备、配电、协议转换设备等，完成了三维风速传感器、惯导设备、舰船综合导航等设备的物理链接，然后通过上位机及软件，完成了高频数据的实时采集和记录，如图7所示本发明基于新研的数据采集设备的整个数据采集流程的具体步骤如下：

步骤一：通过数据采集设备完成惯导、多个三维风传感器(一般一个截面采集点为15个)、综合导航设备的物理连接。

步骤二：上电后，通过上位机一次性完成一个截面的数据采集和记录。

步骤三：重复进行完成所有截面的数据测量和采集。

步骤四：融合所有采集到的结果数据，进行后续处理。

本发明方法中舰艇艉部空气流场测量，需要对舰艉甲板多测量位置的三维风速度信息，多测量位置的三轴加速度、角速度，舰艇运动姿态、航速、航向，自然风速、风向等信息进行实时采集、综合运算，最终得出舰艇艉部甲板空气流场态势，为舰载飞行器在甲板安全起降提供指导，因此舰艇艉部空气流场测量如图8所示需要在起降甲板设置四个测量截面，每个测量截面设置5个测量点，每个测量点在起降甲板平面上方3米、5米、7米位置又分别设置下、中、上三个测量位置。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。